Francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel dokonał sensacyjnego odkrycia już w 1839 roku: kiedy światło (zdjęcie) pada na pewne substancje, powstaje napięcie (woltaiczne). Ale jak to działa w przypadku fotowoltaiki? Wyjaśniamy, jak działają.
Po jego odkryciu minęło 120 lat, zanim fotowoltaika posłużyła jako źródło energii dla pierwszych satelitów i statków kosmicznych. W międzyczasie ogniwo słoneczne stało się popularnym dostawcą energii elektrycznej dla oszczędzających energię
Z tego składa się ogniwo słoneczne
Tylko niektóre materiały mogą przekształcić światło w energię elektryczną, jednym z nich jest krzem. Ponad 90 procent wszystkich ogniw słonecznych jest wykonanych z krzemu. Zaleta: piasek kwarcowy jest dostępny w wystarczających ilościach na ziemi, a krzem jest przyjazny dla środowiska.
Światło rozluźnia elektrony w warstwie granicznej (zielone), które przepływają z powrotem na zewnątrz przez żarówkę.
Krystaliczne ogniwo słoneczne zwykle składa się z dwóch warstw krzemu - razem od dwóch do trzech dziesiątych milimetra grubości.
Po słonecznej stronie krzem jest celowo przeplatany atomami fosforu. Mówiąc prościej, atomy fosforu mają o jeden ujemny elektron za dużo (tj. Ujemny). Atomy boru znajdują się po drugiej stronie komórki - mają o jeden elektron za mało (tj. Dodatni). Warstwy negatywna i pozytywna stykają się ze sobą.
Energia elektryczna przepływa z ogniwa słonecznego przez sterowniki ładowania i inwertery do akumulatora lub sieci energetycznej.
Ze światłem do przepływu prądu
Kiedy światło uderza w komórkę, elektrony są wprawiane w ruch. Po uruchomieniu przeskakują przez granicę z warstwy ujemnej do dodatniej, w której brakuje elektronów - inne przesuwają się w górę. Elektrony migrują z powrotem do swojej starej warstwy na spodzie komórki poprzez metalową siatkę (palec kontaktowy), kabel i płytkę nośną (kontakt). Gdy obwód jest zamknięty, płynie prąd elektryczny. Im więcej promieni świetlnych uderza w elektrony, tym więcej energii elektrycznej jest wytwarzane. Jeśli napromieniowanie pozostaje takie samo, przyrost mocy zależy wyłącznie od powierzchni. Im większa powierzchnia, tym wyższe natężenie prądu. Jeśli słońce świeci silniej, ogniwo słoneczne wytwarza więcej energii elektrycznej. Jest to prąd stały, ponieważ jest również przechowywany w bateriach. Jednak ogniwa słoneczne nie mogą magazynować energii elektrycznejoni to dostarczają.
Moduł słoneczny
Ogniwa słoneczne nie mogą pracować na zewnątrz bez ochrony. Muszą być pod przykryciem: moduł.
Kilka ogniw słonecznych jest połączonych ze sobą, tworząc jednostkę w module. Komórki krystaliczne są ze sobą nawleczone i połączone ze sobą. Pasma są pakowane w folię z tworzywa sztucznego i umieszczane między dwiema szklanymi płytkami. Technologia cienkowarstwowa wytwarza dużą komórkę, gdy szklana płyta jest odparowywana. Laser tnie je na paski, które są ze sobą połączone.
Zasilacz, zwany także falownikiem, przetwarza prąd stały generowany przez moduły na prąd przemienny (napięcie przemienne 230 V). Cała wytworzona energia elektryczna trafia do publicznej sieci energetycznej. Jest to wynagradzane zgodnie z „Ustawą o odnawialnych źródłach energii” (EEG).
Dwa rodzaje: krystaliczne i amorficzne ogniwa słoneczne
Istnieją dwa rodzaje ogniw słonecznych: krystaliczne i amorficzne. Ogniwa krystaliczne stanowią około 80 procent światowej produkcji.
Monokrystaliczne ogniwa słoneczne: materiałem wyjściowym jest drogi ultra czysty krzem, który jest uzyskiwany ze stopionego krzemu w czasochłonnym i kosztownym procesie, prasowany w kostki i cięty na plasterki o średnicy do 12 centymetrów. W monokryształu wszystkie atomy są ustawione w ten sam sposób. Niebieskie do czarnych, na życzenie również inne kolorowe komórki, wykorzystują promienie słoneczne w laboratorium do 24%; w praktyce jednak tylko do 16 proc.
Wielokrystaliczne ogniwa słoneczne: przemysłowo produkowany polikrzem jest tańszy niż produkcja monokryształów. W praktyce sprawność niebieskawych ogniw wynosi od 11 do 14 procent.
Ogniwa krystaliczne prawie nie tracą swojej wydajności nawet przez dziesięciolecia.
Amorficzne ogniwa słoneczne
Tańsze ogniwa amorficzne nadają się do elementów wodnych w ogrodzie lub w domowych wagach w domu, a także na dużych elewacjach. Jeśli przestrzeń na duży system fotowoltaiczny jest ograniczona, ogniwa krystaliczne działają efektywniej.
Oto jak budowane są ogniwa amorficzne: Warstwa wytwarzająca energię elektryczną jest odparowywana na szklanej płytce. Atomy nie są już przechowywane w strukturze kryształu, ale w nieuporządkowany (bezpostaciowy) sposób. Ten proces wymaga stosunkowo niewielkiej ilości krzemu: to obniża cenę. W porównaniu do komórek krystalicznych o grubości od 0,2 do 0,3 milimetra, ogniwa cienkowarstwowe mają tylko 0,01 do 0,05 milimetra. Komórki są brązowe lub antracytowe i mają wydajność od sześciu do siedmiu procent. W ponure dni amorficzne ogniwa dostarczają więcej energii elektrycznej niż inne.
Wydajność ogniw amorficznych spada z biegiem lat: po 20 latach wynosi około 70% wyjściowej produkcji.
Nowoczesne moduły słoneczne można również dyskretnie zainstalować na dachu patio lub wiacie.
nowe technologie
Dwie nowsze cienkowarstwowe ogniwa działają bez krzemu: materiał wykonany z diselenku miedziowo-indu (CID) i tellurku kadmu (CdTe). Nowe ogniwa są obecnie używane w zakładach pilotażowych. Technologia przyszłości to nowy proces cienkowarstwowy, w którym krystaliczna warstwa krzemu jest nakładana na materiał nośny. Łączy to wysoką wydajność ogniw krystalicznych z niskim zużyciem materiału ogniw cienkowarstwowych.
Czy są jakieś ograniczenia wydajności?
Jak wyjaśniono powyżej, moduły monokrystaliczne osiągają najwyższe poziomy wydajności, a następnie polikrystaliczne moduły słoneczne. Jednak zalety modułów monokrystalicznych są równoważone wysokim wydatkiem energii i kosztami hodowli kryształów krzemu. Nowsze osiągnięcie może mieć tutaj duży potencjał: moduły quasi-monokrystaliczne. Są to moduły polikrystaliczne, które dzięki specjalnemu systemowi sterowania mają podobne właściwości do modułów monokrystalicznych podczas wzrostu kryształów.
Skuteczności substancji nie można dalej rozwijać w dowolny sposób i ma ona naturalne ograniczenia - ponieważ materiał może przetwarzać tylko określone długości fal światła. W przypadku modułów z krzemu monokrystalicznego najwyższy możliwy stopień sprawności teoretycznie wynosi około 29 do 33 procent.
Czy to dotarło do końca masztu? Nie, ponieważ nowe technologie również stwarzają nowe możliwości. Na przykład tak zwane tandemowe ogniwa słoneczne mogą zwiększyć wydajność, stosując prostą zasadę: jeśli ułożysz jeden na drugim różne materiały dla różnych części widma światła, wydajność również wzrośnie. Osiągnięto już ponad 40 procent, a ponad 80 procent jest do pomyślenia w przyszłości.
Naturalna wydajność również jest dalej udoskonalana. Japońscy naukowcy ogłosili nowy rekord wydajności krzemowych ogniw słonecznych na poziomie 26,3 procent na początku 2017 roku. To nie jest daleko od limitu specyficznego dla materiału. Obowiązuje tu jednak następująca zasada: Wyższy stopień sprawności sprawia, że energia słoneczna jest tańsza tylko wtedy, gdy koszty produkcji nie wzrosną w takim samym stopniu.